基于有限元的AZ31镁合金手机壳成形工艺优化.pdf

第4 2 卷第4 期2023年8 月文章编号：2 0 9 5-7 3 8 6（2 0 2 3)0 4-0 0 9 5-11DOI:10.3969/j.issn.2095-7386.2023.04.014武汉轻工大学学报Journal ofWuhanPolytechnicUniversityVol.42 No.4Aug.2023基于有限元的AZ31镁合金手机壳成形工艺优化王硕,吴艳，曾如铁,熊锦林,徐嘉豪（武汉轻工大学机械工程学院，湖北武汉4 3 0 0 2 3）摘要：为解决镁合金手机壳冲压成形中的起皱、破裂等问题，改善冲压件的成形质量，获得最优的工艺参数组合，使用Dynaform软件对AZ31镁合金手机壳进行可成形性快速评估，结合起皱判断条件，发现AZ31镁合金手机壳容易发生起皱且起皱不可避免。采用以最大增厚率为评价指标的正交试验法，通过调节板料成形过程中压边力、冲压速度、摩擦系数和阻力系数等主要工艺参数得到不同的模拟结果。结果分析表明，各因素的影响大小为阻力系数冲压速度摩擦系数 压边力。模拟仿真得到质量最优的AZ31镁合金手机壳工艺参数组合：压边力为4 2 0 0 0 N、冲压速度为10 0 0 mms-1、摩擦系数为0.12 5、阻力系数为0.2。研究可为冲压成形出质量优良的镁合金手机壳提供坚实的理论基础与可靠的数值依据。关键词：AZ31镁合金；工艺参数优化；数值模拟；正交实验中图分类号：TG389Finite element based optimization of Az31 magnesiumalloy mobile phone case forming processWANG Shuo,WU Yan,ZENG Rutie,XIONG Jinlin,XU Jiahao(School of Mechanical Engineering,Wuhan Polytechnic University,Wuhan 430023,China)Abstract:In order to solve the problems of wrinkles and rupture in the stamping and forming of magnesiumalloy mobile phone case and to improve the forming quality of its stamped parts,and to obtain the optimalcombination of process parameters,Dynaform software was used to quickly evaluate the formability ofAZ31 magnesium alloy mobile phone case,and combined with the wrinkling judgment conditions,it wasfound that AZ31 magnesium alloy mobile phone case was prone to wrinkling and wrinkling was inevitable.Using the orthogonal test method with the maximum thickening rate as the evaluation index,different sim-ulation results were obtained by adjusting the main process parameters such as blank holder force,stampingspeed,friction coefficient and resistance coefficient in the sheet metal forming process.The results showthat the influence of each factor is the resistance coefficientstamping speedfriction coefficientholdingforce.The combination of process parameters of AZ31 magnesium alloy phone case with the best quality isobtained by simulation:the holding force is 42 000 N,the stamping speed is 1 000 mm s-1,the friction co-efficient is 0.125,and the resistance coefficient is O.2.The research results provided a solid theoretical ba-收稿日期：2 0 2 3-0 5-3 1.作者简介：王硕（2 0 0 0-），男，硕士研究生，E-mail：w s 17 8 6 0 2 4 559 6 16 3.c o m通信作者：吴艳（19 8 4-），女，副教授，博士，E-mail：w u y 6 11 16 3.c o m.基金项目：湖北省教育厅科学研究计划(D20221606).文献标识码：A96sis and reliable numerical basis for stamping the high-quality magnesium alloy mobile phone case.Key words:AZ31 magnesium alloy;optimization of process parameters;numerical simulation;orthogonalexperiments相比上述研究，笔者不改变软件中的程序模型，1引言而是从改善镁合金板料拉深性能和优化工艺参数的随着移动设备的不断发展和进步，手机在人类角度出发，使用Dynaform有限元软件对AZ31镁合社会中占据着非常重要的地位，而手机壳作为不可金手机壳进行可成形性快速评估，并且借助正交试或缺的部件，也变得越来越重要。目前，由于镁合金验来考察各影响因素对镁合金板料拉深性能的影材料具有轻量化、电磁屏蔽性、良好散热性、完全回响，寻求最优的工艺参数组合，解决制造过程中的难收性等1优点，被广泛应用于3 C产品中，特别是手题，为冲压成形出质量优良的镁合金手机壳提供理机外壳制造之中，且被众多主流品牌认可，苹果、华论基础与数值依据。为等手机外壳的镁合金材料应用不断增加。由于镁2AZ31镁合金手机壳的工艺性分析合金的密排六方晶体(HCP)结构2 决定了其在室温中塑性变形能力很差，导致常规冲压（如室温拉深)难以得到质量优良的镁合金拉深件，其加工方式被限制于铸造方面3 ，但又因其比强度高、疲劳极限高等优点而极具市场优势，前景广阔。通过改善拉深工艺，能够提高生产效率、降低制造成本，生产出力学性能优良的零件，因此有必要对镁合金拉深工艺进行系统深入的研究。通常情况下，轻质合金板料冲压成形容易出现起皱、破裂等失效形式4 ，而且这些失效形式很难靠常规手段准确地预测出来。为了解决上述问题，很多学者都做了不同方向的研究，如基于各向异性屈服CPB06-GTN损伤模型，周霞等4 开发了VU-MAT子程序，该程序不仅能够模拟镁合金的各向异性屈服和不规则硬化，还能够模拟镁合金的损伤破坏，借助其作用，镁合金板料的成形性能将得到显著提升；杨柳等5 依据Fields-Backofen流变应力本构模型，对镁合金筒形件拉深成形法兰区的应力分布进行分析，推导出镁合金筒形件拉深成形的破裂和起皱临界压边力表达式，将其应用于数值模拟，能够得到成形效果较好的成形件；付泽民等6 利用磁流变弹性体优异的可逆性和可控性，将其内置于凹模处，并结合复位弹簧等设计了一种支承模，以减薄率和拉深成形极限为评估指标，研究了磁流变弹性体支承对板料拉深成形性能的影响，结果表明该支承方案显著提高了板料成形性能，极大地提高了镁合金的利用率。以上研究均离不开对Dynaform有限元软件中的程序模型进行改进，但是改进程序模型是错综复杂且工作量巨大的过程，同时改进后的程序模型是否兼容于软件本身也是非常关键且很难解决的问题。武汉轻工大学学报拉深工艺是冲压加工中的一种方法，是利用模具将板料冲压成开口空心零件，故AZ31镁合金手机壳属于拉深件的范畴7。在确定拉深件的基本尺寸前，需要考虑其工艺性要求。良好的工艺性能够优化模具结构、减少拉深次数、提高生产效率，可以从拉深件的结构形状、圆角半径、高度等角度出发，对AZ31镁合金手机壳进行工艺性判定。在结构形状方面，拉深件应该保持简化、对称7.8 ，AZ31镁合金手机壳是一种无凸缘矩形件，具有典型的对称性；在圆角半径方面，AZ31镁合金手机壳的各圆角均满足转角半径r3t、底部圆角半径rpt等工艺性要求7.8 ；在高度方面，AZ31镁合金手机壳的拉深高度较小，只需要一次拉深成形，减少了拉深次数。根据上述内容可以得知，AZ31镁合金手机壳基本满足拉深件的工艺性要求。AZ31镁合金手机壳长度尺寸a为14 6.7 mm，宽度尺寸6 为7 1.5mm，高度h为7.6 5mm，厚度t为1mm,转角半径r为10 mm，底部圆角半径rp为2 mm,模型如图1所示。146.70图1AZ31镁合金手机壳模型Fig.1 AZ31 magnesium alloy phone case model2023年82.004期3AZ31镁合金手机壳可成形性评估毛坏尺寸工程模块（Blank Size Engineering，BSE)是Dynaform软件的一个子模块，具有快速求解、精确预测毛坏尺寸、帮助改善毛坏外形等功能 。一步求解器(MSTEP)是基于有限元逆算法的快速成形求解器10 ，能够在产品设计早期快速进行产品可成形分析。在精确模拟零件成形之前，对零件进行快速的计算，能够在很短的时间内进行产品可成形性快速评估，对成形效果进行初步预测，起到提前发现缺陷的作用，同时还可以得到板料的最初轮廓形状。AZ31镁合金手机壳的可成形性快速评估如图2 所示。产品可成形性快速评估表明，该部件在冲压成形中容易出现起皱现象。Formability ReportCOMPOMNE:LB,meiaesse.2王硕，吴艳，曾如铁，等：基于有限元的AZ31镁合金手机壳成形工艺优化4有限元模型的建立4.1冈网格模型的建立运用Solidworks软件设计出手机壳三维模型，进行曲面处理后输出IGES文件，并将其导人Dy-naform软件中进行材料定义和网格划分。采用双动成形技术，利用Dynaform模面工程(DFE)模块，自动生成凸模、凹模和压边圈工具，并对其对应的参数及成形工序进行定义与设置。在冲压过程中，凸模下行，压边圈与凹模首先贴合并压紧板料,凸模继续下行完成拉延。AZ31镁合金手机壳冲压有限元模型如图3 所示，凹模上的等效拉延筋布局如图4所示。凸模(punch)压边圈(binder)FLDCRACKSAE97板料(blank)凹模(die)图3 AZ31镁合金手机壳冲压有限元模型Fig.3 AZ31 magnesium alloy mobile phone casestamping finite element modelETAPOST图2 AZ31镁合金手机壳可成形性快速评估Fig.2 Rapid assessment of the formability拉延筋拉延筋8260.851651202of AZ31 magnesium alloy mobile phone cases在实际生产中，可以初步采用经验公式(1)7 作为成形件是否起皱的判断条件，若满足经验公式（1），则表明该部件不容易发生起皱现象。(1)to0.0100,0.045(1一m)0.0157D。式中7,to为板料原始厚度,D。为板料直径，m为拉深系数。板料原始厚度to为1mm，板料直径D。为100.2148mm,拉深系数m为0.6 51 2。将公式(2)所得到的数据代人公式(1)进行大小比较，结果表明该部件容易发生起皱现象。因此，从可成形性评估和起皱判断条件两个方面出发，均验证了该部件在冲压成形过程中容易出现起皱现象，且起皱不可避免。一般而言，轻微起皱不会影响该部件的整体成形质量，该部件存在轻微起皱依旧符合成形质量要求。因此，在该部件的有限元仿真分析中应该着重考虑影响起皱的相关因素，要尽量减小轻微起皱，避免严重起皱。拉延筋拉延筋图4 等效拉延筋布局Fig.4Layout of equivalent tension bars4.2材料模型及其性能参数的确定(2)由于刚体是理想的不变形体，刚体的材料性能参数不用于变形计算，对板料进行冲压成形分析时，凸模、凹模和压边圈变形量较小，可视为刚体1。数值模拟的准确性很大程度上取决于材料的本构关系12 ,AZ31镁合金板料在仿真分析中可采用弹塑性材料模型。在板料冲压成形过程中，弹塑性材料模型表现出塑性和弹性的完美结合，能够较好地反映板料成形的实际情况13 。弹塑性材料模型包括幂指数塑性材料模型、分段线性材料模型、厚向异性弹塑性材料模型以及三参数Barlat(1989)材料模型等14 ,而三参数Barlat(1989)材料模型是一种专门针对金属薄板成形分析而建立的材料屈服准则模型15,该模型既考虑了板料成形中厚向异性对屈服98面的影响，又考虑了平面各向异性对屈服面的影响，尤其适用于平面应力状态下各向异性弹塑性板料冲压成形的模拟16.17)。三参数Barlat(1989)材料模型采用Barlat屈服准则,其屈服准则表达式18 如下。F=a|Ki+K,|+a|Ki-K,+(2-a)|2K2|=2 mKi=+how2(gx+how)+p2ro0a=2-2,1+roo1+r9oh=1+rooroo1+r90r90表1AZ31镁合金材料的性能参数Table 1 The property parameters of AZ31 magnesium alloy material厚度密度材料泊松比/mm/g cm)AZ31镁合金14.3工艺参数的选取在AZ31镁合金手机壳冲压成形工艺中，成形件质量与很多影响因素有关19 ，如压边力、拉深速度、摩擦系数、阻力系数等。压边力可以增大板料径向拉应力，若压边力过大，径向拉深变得困难,增加了成形件发生过度变薄和破裂的风险，同时会加剧模具的磨损，影响模具寿命；若压边力过小，径向拉深变得容易，导致成形件出现难以控制起皱和塑性变形不足的问题2 0 1。模具的冲压速度通常由压力机及其规格决定，拉深速度主要影响板料的流动性2 0 。在凸凹模间隙中的板料流动速度会直接影响零件的成形质量。如果冲压速度过快，材料的流动性将会加快，这容易导致破裂的产生。同样，如果冲压速度过慢，零件也会出现起皱现象。摩擦系数越小，板料的流动越容易，成形件最薄处的厚度会变厚，从而减少了破裂的风险。相反，摩擦系数越大，板料的流动越受阻碍，成形件容易破裂。如果摩擦系数过大，板料几乎无法流动，成形件也容易破裂，而过小的摩擦系数则会导致成形件容易起皱2 0 。使用拉延筋是降低板料起皱现象的有效途径，拉延筋能够极大程度地减少起皱2 1。其作用机理在于，当板料流过拉延筋时，会发生反复的弯曲和反弯曲，从而产生变形抗力，即拉延筋的变形阻力2 2 。武汉轻工大学学报式中18 1,、y 为板料轧制方向和横向，a、h、p 分别为塑性各向异性材料系数，为沿轧制方向的等效应力，m为Barlat指数，roo、r g o 为与轧制方向成0、90角的厚向异性系数。目前，针对板料冲压成形分析而言，三参数(3)Barlat(1989)模型是一种备受推崇的材料模型，其优越性不言而喻，综合考虑选用三参数Barlat(4)(1989)模型（即Dynaform软件中的3 6 号材料模型)作为本次数值模拟的材料模型。AZ31镁合金(5)的力学性能等参数通过板料单向拉伸试验获得，拟r90合数据输人至3 6 号材料模型中，具体材料参数见表(6)1。模拟过程中不考虑板料与模具之间的热交换问(7)题，即将其视为等温问题。硬化屈服强度指数/MPa1.780.352023年抗拉强度杨氏模量/MPa/GPa0.23175同时，板料与拉延筋之间还存在着摩擦阻力，而拉延筋的变形阻力和摩擦阻力则被合并称为拉延筋阻力。通过控制拉延筋阻力，可以调节板料各部分的成形力，从而实现对板料局部变形条件的精准控制，以达到变形条件的平衡状态，最终确保板料的顺利成形。因此，为了更好地控制AZ31镁合金手机壳的成形质量，需要综合考虑压边力、冲压速度、摩擦系数、拉延筋阻力系数等因素对AZ31镁合金板料冲压成形的影响，并且根据实际情况进行试验和模拟分析，确定最佳的工艺参数数值，从而实现高质量的AZ31镁合金板料的冲压成形。5正交试验及仿真分析5.1正交试验设计正交试验根据正交性原理从全面试验中选择部分具有代表性的组合进行试验，是研究多变量多水平问题的有效试验方法。该方法运用数理统计技术,通过对试验因素的合理安排和对试验数据的有效处理,以缩短试验周期,降低试验成本2 3 。笔者选择压边力、冲压速度、摩擦系数和阻力系数作为影响因素，各影响因素对应的水平选取依据如下。（1)压边力是指在拉深过程中为了解决起皱问题而施加在压边圈上的力,其理论公式为2 3 1Q=Ap。式中A为压边面积（mm），经计算取3 2 0 0 0 mm；各向异性系数RoR4526545R902.032.423.134期p为单位压边力（MPa），参考文献2 3 取1MPa。经过计算得到理论上的压边力Q约为3 2 0 0 0 N，故取2 2 0 0 0 N、3 2 0 0 0 N和4 2 0 0 0 N作为压边力的三个水平。（2)在板料成形数值模拟过程中，实际拉深速度通常被放大若干倍作为冲压速度（即虚拟冲压速度），结合实际生产经验，取10 0 0 mms-1、2000mms-1和3 0 0 0 mms-1作为冲压速度的三个水平。（3)在实际生产中，可以通过抛光、涂润滑油等方法改变板料的摩擦条件，而在数值模拟中则主要通过改变摩擦系数来实现，摩擦系数需要根据实际情况进行调整和优化，以达到最佳的成形效果和质量。AZ31镁合金手机壳属于对称部水平/影响因素123试验方案1234567895.2楼数值模拟分析利用Dynaform软件对正交试验各方案进行数值模拟仿真，得到各试验方案的成形极限图（FLD图），如图5所示。根据成形极限图中的评价指标，实验方案1中的AZ31镁合金手机壳没有出现破裂现象，但是存在着较多的严重起皱，且成形程度严重不足，见图5（a)；实验方案2 中的AZ31镁合金手机壳没有出现破裂现象，但是存在着较少的严重起皱，成形程度轻微不足，见图5（b）；实验方案3 中的AZ31镁合金手机壳出现破裂现象，而且存在着较多的严重起皱，成形程度轻微不足，见图5（c)；实验方案4 中的AZ31镁合金手机壳出现趋向破裂的危险现象，而且存在着较多的严重起皱，但是成形程度王硕，吴艳，曾如铁，等：基于有限元的AZ31镁合金手机壳成形工艺优化Table 2 Impact factors and levels压边力A/N冲压速度B/(mms-1)22000(A1)1 000(B1)32000(A2)2 000(B2)42000(A3)3 000(B3)表3 正交实验方案Table 3 Orthogonal experimental protocol压边力A/N冲压速度 B/(mms-1)22000(A1)1 000(B1)22 000(A1)2 000(B2)22 000(A1)3 000(B3)32 000(A2)1 000(B1)32000(A2)2 000(B2)32000(A2)3 000(B3)42 000(A3)1 000(B1)42 000(A3)2 000(B2)42 000(A3)3 000(B3)99件，可以认为各处的摩擦系数是一致的2 3 。在本试验中，AZ31镁合金板料的厚度设置为1mm，并将摩擦系数设置为三个水平，分别为0.115、0.12 5和0.13 5。（4)在等效拉延筋设计中，根据模具本身的定义条件，软件会自动设置拉延筋的最大阻力值为2 6 0.0 51N/mm。阻力系数大小根据实际情况进行设置，需要综合考虑各种因素来确定。阻力系数根据生产实践经验设定为三个水平，分别为10%（0.1)、2 0%（0.2)和3 0%（0.3）。基于上述考虑，采用L。（3 4）标准正交试验表进行正交试验研究，影响因素与水平如表2 所示，正交实验方案见表3。表2 影响因素与水平摩擦系数C0.115(C1)0.125(C2)0.135(C3)摩擦系数C0.115(C1)0.125(C2)0.135(C3)0.125(C2)0.135(C3)0.115(C1)0.135(C3)0.115(C1)0.125(C2)较好，见图5（d)；实验方案5中的AZ31镁合金手机壳没有出现破裂现象，但是存在着较多的严重起皱，且成形程度严重不足，见图5（e)；实验方案6 中的AZ31镁合金手机壳没有出现破裂现象，但是存在着较少的严重起皱，且成形程度严重不足，见图5(f);实验方案7 中的AZ31镁合金手机壳没有出现破裂现象，但是存在着较多的严重起皱，成形程度较好，见图5（g）；实验方案8 中的AZ31镁合金手机壳没有出现破裂现象，但是存在着较多的严重起皱，成形程度轻微不足，见图5（h）；实验方案9中的AZ31镁合金手机壳没有出现破裂现象，但是存在着较少的严重起皱，且成形程度严重不足，见图 5(i)。阻力系数D0.1(D1)0.2(D2)0.3(D3)阻力系数D水平组合0.1(D1)A1B1C1D10.2(D2)A1B2C2D20.3(D3)A1B3C3D30.3(D3)A2B1C2D30.1(D1)A2B2C3D10.2(D2)A2B3C1D20.2(D2)A3B1C3D20.3(D3)A3B2C1D30.1(D1)A3B3C2D1100武汉轻工大学学报2023年L.STEP1ETAPOSTSIEPHIMEETAPOST(a)实验方案1OUCK(b)实验方案2SIAE2 LOCKLSTEP1SIEPP1TMEWBLS2ETAPOSTSPuRETAPOST(c)实验方案3SIMA2 OCKSSTPHD(d)实验方案4SWEETAPOSTE2LOCALSPAPOT(e)实验方案5SIME2LOCALSP,(f)实验方案6CRAOSWESME42ITAPOSTETAPOST(g)实验方案7SHPs(h)实验方案8MaLE4(i)实验方案9图5不同实验方案的FLD图Fig.5FLD diagrams of different experimental schemes4期通过对各实验方案的成形极限图进行分析可知：（1)3 号和4 号实验方案分别出现破裂或者趋向破裂的危险现象；(2)所有的实验方案均存在严重起皱现象；(3)1号、5号、6 号和9 号实验成形程度存在严重不足。因此，在进行AZ31镁合金手机壳冲压成形时应该避免破裂、尽量减少起皱以及达到较好的成形程度。tmmg/umdSTMGE2LOCKLSTEP1STP1MECOMPONENT:TINCKNI王硕，吴艳，曾如铁，等：基于有限元的AZ31镁合金手机壳成形工艺优化线处，如图6(i)的圆圈2 所示。STACE2 LOCALSTEP1STIP1IME:POHENI:TIickneN101在Dynaform软件的后处理程序中能够查看AZ31镁合金手机壳的厚度变化，并生成厚度变化分布图（Thickness图），如图6 所示。根据图6 可知，最小厚度均出现在成形件底部圆角处，如图6(i)的圆圈1所示；最大厚度均出现在成形件外部边缘0.75161.15151.14800.7475ETAPOSTtimmieSIAE2LOCALSP1STEP1TME:8000667ETAPOST(a)实验方案1STACE2LOCALSTEPSIE1(b)实验方案20821000.71054.1980ETAPOnT1.1835ETAFOST(c)实验方案3SINGEZLOCALSTEPSIPuTME:COHPONENE:Iic(d)实验方案4STAGE2LOCK:STEP11OHENI:INRCKTeS0.7517.16501.14550.7465ETAPOSTETAPOST(e)实验方案5wgluntitedSTAE2 LOCALSIEP1SIPuMEThacknes(f)实验方案6timmig/wteSAGE2 LOCALSIP1SIPMECOMPORENI:TNiCneSS0.71901.23551.14500.7729ETAPOSTETAPOST(g)实验方案7(h)实验方案8102武汉轻工大学学报2023年STAGE2LOCALSIEP1STEP14TME:圆圈21.1430圆圈10.7455ETAPOST.(i)实验方案9图 6 不同实验方案的 Thickness 图Fig.6Thickness diagrams of different experimental schemes在冲压过程中,材料受到拉伸和压缩双向变形，导致板料的某些区域会发生厚度减小或增加。厚度过度减小可能会导致过度减薄、破裂等缺陷，厚度过度增加可能会导致起皱缺陷。为了避免这些问题的发生，需要确定最大减薄率和最大增厚率，这样可以保证在冲压过程中不会出现过度的材料变形，并且可以评估材料的成形性2 4 。较低的最大减薄率和最大增厚率意味着材料更容易成形，而较高的数值则可能意味着材料不适合特定的冲压工艺和设计。因此，在冲压工艺中,考虑最大减薄率和最大增厚率是非常重要的。由图6 中的数据能够得到各试验方案的极值厚度分布，见表4。表4 极值厚度分布表Table 4Extreme thickness distribution table实验最小厚度最大减最大厚度最大增厚方案/mm10.751 720.747 630.719 940.744 550.746660.760070.770 280.723 090.743 1一般来说，AZ31镁合金板料的增厚率(ER)和减薄率(TR)与材料特性、成形形状、冲压工艺等因素有关，减薄率的安全范围应该控制在3 0%左右，增厚率的安全范围应该控制在15%左右2 5。根据图6 和表4 中的数据能够看出，各试验方案的最大减薄率均完全符合减薄率的安全范围，但是多数试验方案的最大增厚率在增厚率的安全范围边缘处排何，同时3、4 和8 号试验方案的最大增厚率远远超过增厚率的安全范围。因此，该手机壳的冲压仿真研究应该以最大增厚率为研究重点，确保该部件符合增厚率的安全范围，从而保证其达到成形质量的要求。5.3试验结果讨论与分析笔者以最大增厚率作为评价指标数据，对正交试验方案进行极差分析，以便于研究各影响因素对AZ31镁合金手机壳最大增厚率影响的主次顺序，其分析结果如表5所示。其中,K;、K；、K;分别为各影响因素与水平所对应的最大增厚率之和,水平i=1、2、3,影响因素j=A、B、C、D;K、K;、K;分别为各影响因素与水平所对应的最大增厚率之和的平均值;极差R,=max(K,）一min(K,）,极差值愈大，薄率/%/mm24.831.148 025.241.151 528.011.196 025.551.184 025.341.155524.001.146 022.981.144527.701.194 325.691.143 5率/%14.8015.1519.6018.4015.5514.6014.4519.4314.35则说明该影响因素的水平改变对实验结果的影响程度愈大。由表5中的极差大小可知，影响评价指标(最大增厚率)的各因素主次顺序为：D（阻力系数）B(冲压速度)C(摩擦系数)A(压边力）。表5极差分析表Table 5Extreme variance analysis table(EVA)K;/压边力A冲压速度B摩擦影响因素/N/(mm s-1)Ki49.55K2i48.55K3j48.23Ki16.52K2j16.18K3j16.08R,0.44根据表5中的数据，可以分析并绘制出压边力(A）、冲压速度(B)、摩擦系数(C)和阻力系数(D)对阻力系数C系数D47.6548.8350.1347.9048.5549.6015.8816.2816.7115.9716.1816.530.830.5744.7044.2057.4314.9014.7319.144.414期最大增厚率影响的变化趋势图,其中横坐标为影响因素的水平值，纵坐标为最大增厚率(数据点取值为最大增厚率16.616.5F%/率直?鲁16.416.316.216.116.020000(a)压边力对最大增厚率的影响16.616.516.416.116.015.90.115(c)摩擦系数对最大增厚率的影响图7 各影响因素与最大增厚率的变化趋势图Fig.7 Trend graphs of the influencing factors and the maximum thickening rate图7（a)表明，随着压边力增大，最大增厚率随之减小,起皱程度也会随之减小；图7(b)表明，随着冲压速度增大，最大增厚率曲线在冲压速度为10 0 03 0 0 0 m m s-1的范围内呈现出先急剧上升后快速下降的趋势，说明冲压速度对最大增厚率影响较大；图7(c)表明,随着摩擦系数增大，最大增厚率随之减小，但是当摩擦系数增大到一定数值后，最大增厚率会逐渐增大，起皱程度也会随之增大，故摩擦系数取值不应该过大或者过小，应该选择趋向减少起皱程度的数值；图7（d)表明，最大增厚率随着阻力王硕，吴艳，曾如铁，等：基于有限元的AZ31镁合金手机壳成形工艺优化250003000压边力/N0.1200.125摩擦系数103影响因素与水平所对应的最大增厚率之和的平均值),如图7 所示。16.816.6%/本直爵?售16.416.216.015.83500040000最大增厚率0.1300.135最大增厚率450001000(b)冲压速度对最大增厚率的影响1918%/幸直影?鲁171615140.10(d)阻力系数对最大增厚率的影响6组合方案的模拟分析将根据正交实验设计及分析过程得到的重组工艺参数组合方案A3B1C2D2进行数值模拟验证，得到成形极限图和厚度变化分布图，如图8、图9 所示。STAGE2 LOCAL STEP1STEP 14 TME:0.421001PART:8.800.600.400.20001500冲压速度/mms-10.150.20阻力系数200025000.253000最大增厚率0.30CRACKSAFEWRONRLETENDENCYWRORLE系数呈现出先缓慢下降后急剧上升的趋势，相比其他三个图，最大增厚率曲线起点最低且上升落差最大，即表明阻力系数对最大增厚率影响最大。根据图8 成形极限图Fig.8Forming limit diagram各影响因素对最大增厚率的影响进行分析,发现A3优于A2优于A1,B1优于B3优于B2,C2优于C1优于C3,D2优于D1优于D3。将最优的工艺参数水平进行重组，得到重组工艺参数组合A3B1C2D2,即压边力为4 2 0 0 0 N、冲压速度为10 0 0 mms-1、摩擦系数为0.12 5、阻力系数为0.2。ETAPOST根据图8 和图9 可以得出：（1)该手机壳没有出现破裂和严重起皱现象，只存在轻微起皱，不影响该部件的成形质量，同时部件的侧壁部分成形程度较充104SIAE2 LOCAL STEPSTEP14TME:0.02001COMPONENE:THicCneSETAPOSTFig.9Distribution of thickness variation分，制件达到了工艺质量要求；（2)该手机壳最大厚度和最小厚度分别为1.14 50 mm、0.7 7 4 7 m m，最大增厚率和最大减薄率分别为14.50%、2 2.53%，完全符合增厚率和减薄率的安全范围，满足了质量要求。综合比较其他工艺参数组合方案后，发现该方案在各项评价指标中均表现得更为合理，且整体成形效果最佳。因此,该重组工艺参数组合是最优且最可行的。7结论采用工艺参数控制法和正交试验能够有效地改善AZ31镁合金板料的冲压成形质量，可为AZ31镁合金手机壳的实际生产加工过程提供坚实的理论基础与可靠的数值依据。主要结论如下。(1)通过有限元仿真分析结果和起皱判断条件的共同验证，可以得出AZ31镁合金手机壳在冲压成形过程中容易出现起皱现象，这种现象是不可避免的。(2)通过正交试验及分析过程，得出影响最大增厚率的各影响因素主次顺序为：D(阻力系数)B（冲压速度)C(摩擦系数)A(压边力）。在冲压时，必须仔细考虑这些影响因素对AZ31镁合金板料的作用，根据具体情况进行试验、模拟和优化，选取合适的数值并确定最佳的工艺参数组合，以实现AZ31镁合金板料高质量的冲压成形。(3)根据正交试验设计和数值模拟结果获得最优的工艺参数组合：压边力为4 2 0 0 0 N、冲压速度为10 0 0 mms-1、摩擦系数为0.12 5、阻力系数为0.2。验证了正交试验法与数值模拟技术在AZ31镁合金板料冲压成形分析中应用的正确性、时效性、先进性和实用性。因此，在选择各工艺参数水平时，需要综合考虑多种因素，并且进行相应的试验分析，这样才能保证成形件的质量，并达到最佳的生产效益。武汉轻工大学学报参考文献：1尹德良，张凯锋，吴德忠.AZ31镁合金非等温拉深性能的研究J.材料科学与工艺,2 0 0 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